整合结构生物学为囊性纤维化治疗提供了新的线索

囊性纤维化跨膜电导调节器的研究已经进行了多年，但圣裘德儿童研究医院和洛克菲勒大学的共同努力产生了新的见解。

　　

   

   

图片:圣裘德大学的科学家们依靠单分子成像中心的技术，对囊性纤维化跨膜电导调节因子的工作原理有了新的认识。

图片来源:圣裘德儿童研究医院提供授权

囊性纤维化跨膜电导调节因子(CFTR)基因突变会导致囊性纤维化，这是一种无法治愈的致命的常染色体隐性遗传病，大约每2500个新生儿中有一个患此病，主要影响胃肠道和呼吸系统——通常导致患者产生过于粘稠的粘液，阻塞气道并导致肺损伤和引起消化问题，临床上具有慢性梗阻性肺部病变、胰腺外分泌功能不良和汗液电解质异常升高的特征。

圣裘德（St. Jude ）儿童研究医院和洛克菲勒大学的科学家们的一项新发现揭示了CFTR如何发挥作用的机制，以及疾病突变和CFTR增强剂如何影响其功能。有了这些信息，将有助于更好地了解囊性纤维化跨膜电导调节因子(CFTR)，可能能够据此设计出更有效的囊性纤维化治疗方法。这项研究发表在最新一期的《自然》杂志上。

囊性纤维化跨膜电导调节因子(CFTR）是一种阴离子通道，维持上皮和其他膜上盐和液体正确平衡的通道。CFTR的突变是导致囊性纤维化的原因，但这些突变可以以不同的方式影响CFTR功能。因此，一些用于治疗该病的药物只能部分恢复CFTR特定突变形式的功能。

此前洛克菲勒大学的Jue Chen博士及其同事揭示了CFTR的两种不同的构象(形状)。这些静态图像使研究人员能够看到通道在打开或关闭时的状态，但状态之间的转换还不完全清楚。因此，构象变化是通道打开和关闭的重要原因，这也解释了CFTR的电生理特性——这些已经被分析了几十年。这些发现激发了人们对直接实时可视化CFTR结构转变的兴趣，并研究了疾病突变和用于增强患者CFTR功能的药物对构象变化的影响。

合作带来突破

研究小组的互补专业知识是取得发现的关键。通过电生理学和结构研究，洛克菲勒团队能够指导圣裘德团队放置单分子探针。通过部署单分子荧光共振能量转移(smFRET)， St. Jude团队能够为CFTR机制的移动部分提供新的信息。通过冷冻电子显微镜、电生理学和smFRET的集成，研究小组能够更好地理解CFTR是如何工作的。

研究人员发现，CFTR呈现出一种等级森严的门控机制。CFTR的两个核苷酸结合域在通道打开之前二聚(结合)。二聚通道内的构象变化，与ATP水解(一种释放能量的反应)有关，调节氯化物电导。研究表明增强剂药物Ivacaftor和GLPG1837在核苷酸结合域二聚化时通过增加孔开放来增强通道活性，进一步确认了这种观点。导致囊性纤维化的突变会降低二聚体的效率。这些信息将有助于寻找更有效的临床治疗方法。

评价

“通过了解CFTR的结构和行为，这有可能帮助囊性纤维化患者，”洛克菲勒大学的第一作者Jesper Levring说。“使用这些方法——单通道电生理学和smFRET——一次一个地观察这些分子，我们可以将通道的功能与构象变化联系起来，并将其与潜在的结构生物学联系起来。”

“这项工作最令人满意的是，我们回答了一个关于CFTR如何工作的问题，这个问题在该领域一直是争论多年的话题，”该研究的共同通讯作者Chen说。“每一种方法都有局限性，所以你可以有很好的数据，但仍然没有答案。通过结合方法，我们已经得到了一个统一的机制，让我们深入了解这种分子是如何工作的。有了这样的理解，我们就可以测试突变或药物是如何影响功能的，这就是我们最终如何获得更好的治疗方法。”

“通过这次合作，我们有机会真正深入研究结构和功能之间的关系，”圣裘德结构生物系的共同通讯作者Scott Blanchard博士表示：“我们实验室之前对核糖体和g蛋白偶联受体的研究表明，这是可能的，但很少有单一蛋白质比CFTR更与疾病的治疗相关，因为囊性纤维化的治疗旨在改善这种蛋白质突变形式的缺陷。”“单分子成像技术能够进行生物物理测量并获得这些类型的定量见解，正是单分子成像技术的众多先进之处之一，这种技术一直让我感到惊奇。”